Стипендия Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики
Получатель: Соколенко Богдан Валентинович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики, ведущий научный сотрудник лаборатории функциональных материалов и квантовых устройств Физико-технического института.
Тема научного исследования: Разработка программно-аппаратного комплекса цифровой голографической микроскопии с неинвазивным оптическим захватом биологических микрообъектов
Цель проекта: создание оптимальных условий для контролируемого захвата и манипулирования микрообъектами в жидких и газовых средах посредством массивов оптических ловушек с трехмерной визуализацией захваченных объектов с помощью внеосевой оптической цифровой голографии.
Текущие результаты:
Разработан метод генерации пространственно-структурированных трехмерных оптических ловушек на основе суперпозиции лазерных когерентных пучков. В основе нового подхода решения задачи увеличения числа одновременно действующих оптических ловушек посредством генерации квазипериодической структуры в поле пучка, обладающей всеми преимуществами «бутылочных» пучков, положен принцип интерференции нескольких когерентных лазерных пучков.
Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность управления ловушками, а именно одновременного открытия и закрытия области захвата. Характерным отличием «закрытой» ловушки является наличие максимумов интенсивности, находящихся на оси, совпадающей с направлением распространения пучков (ось z). «Закрытая» ловушка предотвращает продольное смещение захваченной частицы наряду с поперечным (оси х, у), в то время как в «открытой» ловушке частица может свободно смещаться в продольном направлении (z), будучи ограниченной лишь в поперечной плоскости (х, у).
Использование цифровой голографической микроскопии в качестве инструмента, чувствительного к пространственным изменениям показателя преломления, делает его мощным решением для задачи визуализации микрообъектов. Цифровая голографическая микроскопия основана на интерференции двух когерентных или частично-когерентных световых пучков с разностью фаз. Когерентные пучки в данном случае генерируются одним источником – гелий-неоновым лазером с длиной волны излучения 632,8 нм. В схеме осевой цифровой голографии, применяемой в данном исследовании, точечный источник света – диафрагма «пинхол» используется для освещения образца, при этом суперпозиция волн, рассеянной микрочастицей и расходящейся опорной волны, которая проходит в свободном пространстве без дифракции, возникает на датчике цифровой камеры. Амплитуда поля полученной суперпозиций объектного и опорного пучков записывается в виде массива значений яркости в каждой точке для дальнейшей численной реконструкции. Полученная голограмма содержит информацию обо всей глубине поля захваченной области, и после реконструкции, амплитудные и фазовые компоненты доступны для анализа.
Перспективы:
Дальнейших ход исследований будет направлен на разработку прототипа программно-аппаратного комплекса оптического захвата и одновременной визуализации микрообъектов биологической природы в жидких средах. Отельное внимание будет уделено разработке цифровой видео голографической микроскопии в реальном времени для наблюдения и трекинга захватываемых микрочастиц, их взаимодействия. В дополнение к цифровой голографической микроскопии еще одним направлением работы является разработка способа реализации интерференционного вихревого метода для определения количественных характеристик медиального сечения субмикронных объектов. Динамическая интерференционная картина пучков, несущих сингулярность волнового фронта, позволит с помощью компьютерной обработки определить оптическую разность хода между опорным и предметным пучками и, как следствие, даст возможность произвести оценку высоты микрорельефа образца по фазовому сдвигу в области сингулярности с разрешением порядка единиц нанометров. Результаты данного исследования лягут в основу разработки и создания высокоточных инструментов экспресс-анализа и отображения сложных поверхностей объектов различной природы стерильным бесконтактным способом.
